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        鄒莊煤礦32煤導(dǎo)水裂縫帶動態(tài)觀測與模擬聯(lián)合分析

        2016-04-29 00:00:00吳發(fā)紅宋坤李文豪萬和勇
        水能經(jīng)濟 2016年7期

        【摘要】以鄒莊煤礦3111工作面所在區(qū)域為研究對象,本文采用井下仰斜鉆孔采動應(yīng)力動態(tài)觀測、數(shù)值模擬采動破壞分析、同一監(jiān)測位置應(yīng)力和破壞發(fā)育趨勢對比識別方法確定開采形成的導(dǎo)水裂縫帶范圍。觀測和計算分有斷層和無斷層兩種條件。經(jīng)過測試和研究得出,3111工作面導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育受開采推進位置控制,在超前推進位置60m測孔內(nèi)即可監(jiān)測到覆巖內(nèi)應(yīng)力變化,在超前推進位置40m測孔內(nèi)可監(jiān)測到覆巖內(nèi)應(yīng)力變化達到最大值。無斷層條件下測得導(dǎo)水裂縫帶最大高度位置超前測點33m,導(dǎo)水裂縫帶高度是采厚的13.90倍,在落差3m斷層影響下測得導(dǎo)水裂縫帶最大高度位置超前測點25m,導(dǎo)水裂縫帶高度是采厚的16.60倍。覆巖結(jié)構(gòu)對導(dǎo)水裂縫帶有控制作用,軟硬分界面往往是破壞發(fā)育的邊界。以上分析成果可為礦區(qū)地下水資源保護和減少水患提供決策依據(jù)。

        【關(guān)鍵詞】導(dǎo)水裂縫帶;數(shù)值模擬;動態(tài)觀測;聯(lián)合分析

        1、引言

        煤層的開采引起的上覆巖層移動與破壞必然影響隔水層的穩(wěn)定,增加地下水滲漏和突涌水威脅。覆巖移動和破壞一般可劃分出三個不同性質(zhì)的破壞和變形影響帶,由下至上依次分為垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶和彎曲下沉帶。導(dǎo)水裂縫帶的預(yù)測與實測方法主要有根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》計算、數(shù)值計算、室內(nèi)模型試驗和現(xiàn)場實測等。原位實測是獲得采動破壞高度、范圍等分布規(guī)律的最直接手段,主要方法有沖洗液漏失量觀測、壓水試驗、聲波成像或鉆孔攝像等。其中沖洗液漏失量觀測、壓水試驗、聲波成像或鉆孔攝像等為靜態(tài)方法,只能代表某一時間狀態(tài)即開采階段的變形破壞。沖洗液漏失量觀測大多需要在地面鉆孔內(nèi)實施,壓水試驗原理可靠但測試裝備的可靠性往往不高??傮w而言,行之有效和充分可靠的測試還需要克服很多現(xiàn)實的困難。

        本文以鄒莊煤礦3111工作面所在區(qū)域為研究對象,采用仰斜鉆孔實測和數(shù)值計算方法綜合分析采動覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度和范圍。其特點是根據(jù)仰斜鉆孔內(nèi)軸力動態(tài)監(jiān)測和數(shù)值模型中相同位置軸力與破壞范圍的對應(yīng)關(guān)系聯(lián)合分析獲得導(dǎo)水裂縫帶高度和動態(tài)發(fā)育特征,可為同類動態(tài)觀測提供借鑒。

        2、鄒莊煤礦地質(zhì)及開采條件

        鄒莊煤礦地處安徽省淮北市濉溪縣南坪集附近,其中心東北距宿州市約25km,位于淮北煤田南部,地處宿北斷裂、光武-固鎮(zhèn)斷裂、豐縣-口孜集斷裂與固鎮(zhèn)-長豐斷裂組成的斷塊內(nèi),童亭背斜東翼的中段。鄒莊煤礦及其鄰近煤礦均未見基巖裸露。經(jīng)鉆探揭露,新生界松散層下伏地層自下而上分別為奧陶系的馬家溝組、老虎山組,石炭系的本溪組、太原組,二疊系的山西組、下石盒子組、上石盒子組。石炭系、二疊系皆為含煤地層。3111工作面32煤層煤厚1.80m~3.08m,平均2.59m,煤厚變化較小,煤層穩(wěn)定,直接頂板以泥巖,粉細砂巖為主,厚度一般6.43~10.5m。老頂以粉細砂巖、泥巖為主,厚度6.62~16.3m,通過巖性判斷3111工作面頂板為中硬頂板,3111工作面靠近停采線處有逆沖斷層,落差3m,風(fēng)巷在逆沖斷層下。

        3、井下采動破壞實測

        本文采用仰斜鉆孔埋入傳感器和數(shù)值計算方法綜合分析采動覆巖破壞高度和范圍。在測試前為了指導(dǎo)現(xiàn)場測試和室內(nèi)分析計算,采用經(jīng)驗公式對開采破壞高度進行初步估算,得到在采厚為2.59m時上覆巖層垮落帶高度為8.30±2.2m,導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度約為33.44±5.6m。

        根據(jù)開采實際,在3111工作面設(shè)計測點2處,采用鉆孔埋置應(yīng)力測試傳感器、在開采期間動態(tài)測試鉆孔軸向力變化,根據(jù)測試結(jié)果,再結(jié)合數(shù)值計算獲得的動態(tài)規(guī)律和模型試驗成果共同解釋覆巖破壞特征。兩測點分別位于兩處鉆窩內(nèi),測點布置如圖1所示。測點1鉆孔仰角50°,斜長為51m,控制垂直測試高度40m,鉆孔朝向采空區(qū)方向,與巷道成5度夾角。該孔布置拉壓力傳感器5個和壓水測試點4個。測點2布置在回采收作線外側(cè)10m的巷道附近。該鉆孔需穿過3111F4逆斷層,因此測點2的鉆孔在平面上與巷道成30°夾角偏向采面內(nèi)部,仰角45°,斜長67m,控制垂直測試高度47m。該孔布置拉壓力傳感器。

        應(yīng)力測試使用GGLJ型振弦式鋼筋應(yīng)力計,通過GSJ-2A電腦檢測儀采集測試數(shù)據(jù)。由于鉆孔埋入傳感器時采用PVC花管作為導(dǎo)向和支架,以及注漿和封孔,傳感器與周圍巖層接觸關(guān)系較為復(fù)雜。本文在監(jiān)測結(jié)果初步分析的基礎(chǔ)上,僅以各測點數(shù)據(jù)動態(tài)變化趨勢作為分析依據(jù),其數(shù)據(jù)絕對值與開采條件對應(yīng)關(guān)系尚需進一步研究與試驗。

        根據(jù)測試,繪制測試成果曲線如圖2和圖3。根據(jù)曲線動態(tài)變化特征,結(jié)合地層性質(zhì)與厚度,將鉆孔軸線上由壓轉(zhuǎn)拉的范圍定為導(dǎo)水裂縫帶的上界,與開采推進位置對應(yīng)關(guān)系可根據(jù)圖2和圖3水平坐標(biāo)判定。

        4、覆巖破壞高度數(shù)值的模擬分析

        為研究3111工作面采后上覆巖層破壞分布規(guī)律,根據(jù)研究區(qū)的地質(zhì)測繪成果和各煤層資料,選取過兩處測點的縱向剖面作為試驗和計算研究的基本原型,建立FLAC3D數(shù)值計算模型,如圖4所示。采用Mohr-Coulomb塑性本構(gòu)模型和Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則對煤層頂板采動破壞特征進行計算。得到計算結(jié)果如圖5。

        根據(jù)圖4塑性區(qū)分布特征分析,在沒有斷層的影響下,采空區(qū)上方頂板為拉張破壞區(qū),兩側(cè)煤柱上浮為剪切破壞區(qū);在有逆沖斷層的影響下,導(dǎo)水裂縫帶已經(jīng)影響到斷層,但沒有向斷層上部巖層發(fā)展,表明斷層對破壞可以起到屏障作用,抑制破壞帶向上發(fā)育,在水平方向上,由于逆沖斷層的影響,塑性區(qū)已經(jīng)與斷層貫通。

        根據(jù)開采結(jié)束后塑性區(qū)分布得到,32煤開采后的垮落帶高度為12m,導(dǎo)水裂縫帶高度為33m。在逆沖斷層的影響下使得頂板破壞高度有一定的上升,斷層側(cè)導(dǎo)水裂縫帶高度為45m,遠離斷層側(cè)導(dǎo)水裂縫帶高度60m,為不對稱分布。

        5、實測結(jié)果與數(shù)值模擬聯(lián)合分析

        由于實測鉆孔軸力不能直觀反應(yīng)巖體裂隙發(fā)育的真實情況,以下鎖定實測測點位置,通過實測軸力變化和數(shù)值模擬應(yīng)力變化與覆巖破壞的對應(yīng)關(guān)系,分析導(dǎo)水裂縫帶的動態(tài)發(fā)育特征。

        根據(jù)數(shù)值模擬可獲得對應(yīng)鉆孔測點處軸向應(yīng)力的動態(tài)演化曲線,如圖6。

        根據(jù)測得的軸向力和計算獲得的軸向應(yīng)力曲線,測點1軸向應(yīng)力總體隨開采推進呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢。根據(jù)計算結(jié)果,推進至距離測試鉆窩40m時,鉆孔內(nèi)軸向力達到最大值,隨埋深大于38.34m范圍軸向應(yīng)力呈現(xiàn)一致性下降趨勢,埋深小于25.95m范圍軸力表現(xiàn)為先增長再下降趨勢,上下兩段變化趨勢明顯不同,其間埋深38.34m-25.95m孔段為過渡帶。根據(jù)測試,當(dāng)開采推進到距離測試鉆窩38m-26m距離時,以33m處為最顯著,測試鉆孔埋深為38.34m處明顯為拉應(yīng)力,該點以上處于軸力釋放狀態(tài),以下軸力呈低幅度增長或釋放狀態(tài),與計算結(jié)果相比存在變化趨勢和分帶的相似性。通過應(yīng)力計算和軸力測試成果的相似性分析,結(jié)合地層巖性特征,可初步劃定測點位置1覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度為煤層頂板以上36.0m。

        根據(jù)計算結(jié)果,由于受斷層的影響,測點2鉆孔內(nèi)軸力在超前推進位置60m開始分化,超前40m變化達到極值,其中埋深55-65m段軸力一致性降低,埋深30-45m段軸力增大到極值后下降,埋深15-20m段軸力一致性增長,呈現(xiàn)為三段兩過渡帶的特征。根據(jù)塑性區(qū)分布,上部過渡帶可判斷為導(dǎo)水裂縫帶上界。根據(jù)測試結(jié)果,在推進到距離測試鉆窩34-16m處,以25m最為顯著,測試鉆孔內(nèi)各點軸力出現(xiàn)明顯分化,其中孔內(nèi)上段和斷層帶以下測點均以壓應(yīng)力為主,斷層帶及臨近區(qū)域,呈現(xiàn)明顯的拉伸應(yīng)力狀態(tài),表明開采造成拉伸已經(jīng)波及斷層帶。根據(jù)塑性區(qū)分析,破壞已達到斷層帶,由此可確定導(dǎo)水裂縫帶高度為煤層頂板以上43m。

        根據(jù)以上分析可知,實測軸力與數(shù)值模擬結(jié)合,可以反饋導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育特征,其中軸力由壓轉(zhuǎn)拉或拉轉(zhuǎn)壓過渡帶是判別采動破壞帶的重要線索之一。

        6、結(jié)論

        1)通過數(shù)值模擬計算和塑性區(qū)分析,在無斷層影響下,開采32煤,采厚2.59M時,導(dǎo)水裂縫帶最大高度40m;在有逆沖斷層的影響下,開采32煤,采厚2.59m時,導(dǎo)水裂縫帶最大高度60m。

        2)通過實測鉆孔內(nèi)的軸力與模擬分析得出,在無斷層條件下導(dǎo)水裂縫帶最大高度位置超前測點33m,導(dǎo)水裂縫帶高度36m,是采厚的13.90倍,在落差3m斷層影響下測得導(dǎo)水裂縫帶最大高度位置超前測點25m,測試位置導(dǎo)水裂縫帶高度43m,是采厚的16.60倍。

        3)通過觀測和實時決策,可為地下水資源保護和預(yù)防突水災(zāi)害提供決策依據(jù)。通過實測和數(shù)值模擬聯(lián)合分析軸力與破壞區(qū)的對應(yīng)關(guān)系,在鉆孔內(nèi)植入拉壓傳感器觀測軸力演化的方法有可能成為全開采過程動態(tài)觀測的重要手段之一。

        參考文獻:

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        作者簡介:吳發(fā)宏,男,工程師,現(xiàn)任安徽神源煤化工有限公司副總工程師,長期從事礦井地質(zhì)技術(shù)管理和防治水工作。

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